Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Микроэлектроника. Лабораторный практикум. Учебно-методическое пособие
.pdf
рый в это время закрыт. Тот факт, что при формировании отрицательного
импульса на транзисторе VT отсутствует питание, исключает подзаряд
конденсатора С во время формирования отрицательного импульса выходного сигнала и ещё больше повышает линейность преобразования.
Рис. 6.4. Схема преобразователя «напряжение–частота»
с улучшенной линейностью преобразования
В процессе модулирования частота выходного сигнала отклоняется
от частоты несущего сигнала на величину
, которую называют девиа-
f
д
цией частоты.
Примерами интегральных преобразователей «напряжение–частота»
служат микросхемы VFC32 (Burr-Brown, Texas Instruments), семейство
LMx31 (Texas Instruments), AD650 и AD654 (Analog Devices), 1108ПП1
(ALFA, Латвия).
Вывод расчетных формул
При выводе расчетных соотношений (для схемы рис. 6.1) сделаны
следующие допущения:
операционный усилитель идеальный;
диод идеальный;
влиянием цепи заряда на перезаряд конденсатора С пренебрегаем.
Итак, длительность положительного импульса
можно опреде-
t
и
лить из выражения, описывающего процесс заряда конденсатора от источника входного напряжения.
71
Процесс заряда конденсатора в самом общем случае описывается
известным из ТОЭ выражением
ut U U U e
CC C C
/τ0t
. (6.1)
Для нашего случая
0
UU
Cm
UU
;
вхC
;
tt
; и()
и
Ut U
Cm
.
Подставляя в выражение (6.1), получим:
/
t
UU UUe
mm
()
вх вх
иЗ
,
или
/
t
UU UUe
mm
()
вх вх
иЗ
.
После преобразования
t
иЗ
e
UU
/
вх
UU
вх
m
.
m
Путём логарифмирования находим
Поскольку
t
иЗ
CR
, внося знак (–) под знак логарифма, получим:
1З
tRC
и 1
UU
ln
UU
UU
ln
UU
вх
вх
вх
вх
m
.
m
m
. (6.2)
m
Длительность отрицательного импульса может быть рассчитана на
основе общего выражения (6.1), полагая, что
(0)
UU
Cm
СR
Р 2
()
UU
;
;
()
Ut U
Cm
Cm
.
и
;
Таким образом, после подстановки в (6.1) имеем:
/
t
UU UUe
mm m
()
вх
иР
,
или
UU UUe
mm m
Откуда после преобразования
и P
e
()
UU
/t
mm
UU
mm
вх
.
72
/
t
иР
.
Путём логарифмирования найдём
R
R
t
и P
UU
ln
UU
Тогда, разделив числитель и знаменатель дроби на
Учитывая, что
tCR
и 2
R
4
, после подстановки в (6.3) получим:
RR
43
tCR
и 2
ln 1 2 .
mm
mm
1
ln
1
.
. (6.3)
4
(6.4)
3
U
, получим:
m
Как видно из выражения (6.4), длительность отрицательного импульса не зависит от входного напряжения. И если принятые допущения
достаточно близко выполняются, то
constt
.
и
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ
1. Приведите схему преобразователя «напряжение–частота», по-
ясните принцип действия с помощью временных диаграмм.
2.
Нарисовать и пояснить модуляционную характеристику преоб-
разователя (рис. 6.1).
3.
В каком состоянии будет находиться схема (рис. 6.1) при
U
= 0?
вх
Как изменится работа схемы рис. 6.1, если изменить полярность
4.
включения диода
5.
Как изменится выходной сигнал схемы (рис. 6.1), если увели-
чить вдвое сопротивление резистора
денсатора
С)?
VD?
R
(уменьшить вдвое емкость кон-
2
6. Каково назначение диода VD в схеме рис. 6.1?
7.
Каково назначение диода VD
8.
Для чего в схему преобразователя «напряжение–частота» вве-
дён транзистор
9.
В каком состоянии будет находиться схема (рис. 6.4) при
U
= 0? Объясните полученный результат.
вх
10.
Нарисовать и пояснить модуляционную характеристику преоб-
VT?
в схеме рис. 6.4?
1
разователя рис. 6.4.
11.
От каких элементов схемы (рис. 6.4) зависит частота выходного
сигнала и как её можно подстраивать?
Какие недостатки преобразователя «напряжение–частота»,
изображенного на рис. 6.1, устранены в схеме, приведённой на рис. 6.4?
Перечислить и дать объяснение.
73
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гусев В.Г. Электроника : учебное пособие для вузов /
В.Г. Гусев, Ю.М. Гусев. – Москва : Высшая школа, 1991. – 495 с.
2.
Ерофеев Ю.Н. Импульсные устройства : учебное пособие для
вузов / Ю.Н. Ерофеев. – Москва : Высшая школа, 1990. – 383 с.
3.
Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных
устройствах / В.С. Гутников. – Ленинград : Энергоатомиздат, 1988. –
304 с.
ПЕРЕЧЕНЬ ЭЛЕМЕНТОВ
Микросхема LM311N – 1 шт.
Диод КД310 – 2 шт.
Конденсатор 4700 пФ – 1 шт.
Конденсатор 18 нФ – 1 шт.
Резистор 1 кОм – 1 шт.
Резистор 2 кОм – 1 шт.
Резистор переменный 2,2 кОм – 1 шт.
Резистор 5,1 кОм – 1 шт.
Резистор 10 кОм – 1 шт.
Резистор 51 кОм – 2 шт.
Резистор 1 Мом – 1 шт.
Резистор 2,2 Мом – 1 шт.
74
Лабораторная работа № 7
ГЕНЕРАТОРЫ ИМПУЛЬСОВ НА ТАЙМЕРАХ
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Изучение особенностей функционирования импульсных схем
(триггер, автоколебательный и ждущий мультивибраторы), построен-
ных на основе таймера 555, а также получение практических навыков
расчёта и проведения экспериментального исследования.
ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ
1. Ознакомиться с теоретическими сведениями к лабораторной
работе и рекомендованной литературой.
2.
Рассчитать длительность импульсов и их скважность на выходе
автоколебательного мультивибратора, изображенного на рис. 7.3.
3.
Вычислить длительность выходного импульса и частоту следо-
вания импульсов запуска для ждущего мультивибратора, изображенного на рис. 7.4. Скважность выходных импульсов принять
q = 2.
ПРОГРАММА РАБОТЫ
1. Собрать схему триггера на таймере, изображенную на рис. 7.2, а.
Включить источник питания
Подать на вход схемы синусоидальное напряжение с генерато-
2.
ра,
U
= 3,5 В, f = 10 кГц. Снять сфазированные осциллограммы
ген
E = +12 В.
напряжений на входе и выходе триггера. Определить параметры полученных сигналов, сравнить с теоретическими.
3.
По данным пункта 2 построить передаточную характеристику
триггера
UfU
вых вх
петли гистерезиса (см. рис. 7.2,
4.
Собрать схему автоколебательного мультивибратора по
. Определить пороговые напряжения и ширину
б).
рис. 7.3. Цепь, показанную пунктиром, не подключать!
5.
Снять сфазированные осциллограммы напряжений на конден-
саторе
С
, на выводе 7 таймера DA1 и на выходе U
1
. Определить пара-
вых
метры полученных сигналов.
6.
Подключить к схеме диод VD
, обозначенный на рис. 7.3 пунк-
1
тиром. Определить, как изменились длительность и частоту выходных
импульсов мультивибратора.
7.
Проверить работоспособность схемы при пониженном до 6 В
напряжении источника питания. Оценить, как при этом изменятся параметры выходных импульсов.
75
8. Собрать схему ждущего мультивибратора по рис. 7.4. Сигнал
запуска не подавать! Включить источник питания (
Е = 12 В). Проверить
исходное состояние мультивибратора: напряжение на выходе – низкого
уровня, конденсатор
9.
Подать на вход мультивибратора запускающие импульсы с гене-
C
разряжен.
1
ратора прямоугольных импульсов. Параметры импульсов: полярность –
положительная, амплитуда 12 В, длительность 10 мкс, частота – согласно предварительному расчёту. Снять сфазированные осциллограммы
напряжений: генератора
U
ходе
. Определить длительность выходных импульсов и время вос-
вых
U
, запуска Uвх, на конденсаторе С1 и на вы-
ген
становления исходного состояния.
10.
Увеличить частоту входных запускающих импульсов
(
f
= 3 кГц), убедиться, что таймер не перезапускается. Зарисовать ос-
вх
U
циллограммы напряжений: запуска
, на выходе таймера U
вх
вых
.
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
В лабораторной работе используется интегральный таймер NE555
(отечественный аналог КР1006ВИ1) в пластмассовом корпусе DIP8. Ре-
комендованное напряжение питания от 5 В до 15 В.
Назначение выводов:
1 – общий (минус источника питания);
4
E
DA1
G1/GN
3
7
2 – вход запуска;
3 – выход;
4 – вход сброса;
5 – управляющее напряжение;
6 – вход компаратора;
7 – разряд (открытый коллектор);
2
S
6
R
Рис. 7.1. Обозначение таймера
+U
–U
U
8
1
5
R
8 – плюс источника питания.
Если вход сброса (
вывод 4) не используется, его необходимо соединить с положительным полюсом источника (вывод 8) во избежание
ложных срабатываний таймера.
Если вход управляющего напряжения (вывод 5) не используется, к
нему подключается блокирующий конденсатор ёмкостью 10 нФ (рекомендованное значение).
76
C
2
E
2
U
V
5
7
8
526
E+U
U
R
A
t
U
ген
C1
100нФ
R1
10к
R2
10к
U
U
U
вых
max
вх
8
DA1
U
3
5
R
10нФ
4
E
7
2
6
R
S
+U
GND
1
Out
С2
U
вых
R
E
н
а
U
п
U
min
0U
U
п
U
п
вх
б
Рис. 7.2. Триггер на основе таймера NE555 (а); передаточная
характеристика (б)
D 1
R 1
3 .
6 к
R
. 1 к
1
0 0 н Ф
1
D
4
Ou
S
R
GND
1
1
+
3
10нФ
С
вы х
R
н
Рис. 7.3. Автоколебательный мультивибратор
77
R
t
t
t
10к
VD
R1
3.6к
+E
8
DA1
4
7
E
+U
Out
3
U
вых
U
ген
C
820
2
S
6
R
U
вх
C1
100нФ
GND
1
Рис. 7.4. Ждущий мультивибратор
U
ген
E
U
С
E
E
U
/
вх
1
U
R
5
10нФ
С2
R
н
1/3
0
t
и.вх
Рис. 7.5. Диаграммы работы цепи запуска ждущего мультивибратора
КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Таймер
В 1971 г. компания Signetics Corporation выпустила микросхему SE555/NE555
под названием «Интегральный таймер» (
IC Time Machine
). На тот момент это была
The
единственная «таймерная» микросхема, доступная массовому потребителю. Сразу после поступления в продажу микросхема завоевала огромную популярность и среди
любителей, и среди профессионалов.
78
Нужно отметить, что ни схемотехника, ни топология NE555 не патентовались. Компании
Signetics, похоже, было не до этого, а автора
Ханса Камензинда занимали новые идеи. Кроме того, в 1970 г. ситуация
с патентами разительно отличалась от сегодняшней – практика копирования была повсеместной. В результате не прошло и года, как микросхема LM555 появилась у
National Semiconductor, а uA555 – у Fairchild.
В 1974 г. ее производили уже 8 фирм. Хорошо, что кодекс чести того
времени обязывал «копировщиков» сохранять код прототипа.
Интересным моментом оказалось то, что никто не попытался усовершенствовать NE555, хотя по признанию самого автора схемотехника
соответствовала уровню «начинающего». Таким образом, микросхема
NE555 дошла до нашего времени практически неизменной. Как и прототипная ИС
16 резисторов. С приходом КМОП эры, компанией
, все последующие содержали 23 транзистора, 2 диода и
Intersil был выпущен
КМОП-вариант таймера – ICL7555.
В нашей стране таймер под маркой КР1006ВИ1 был выпущен в
начале 80-х годов прошлого века рижским производственнотехническим объединением «Альфа», а в 90-х зеленоградский завод
«Микрон» освоил КМОП версию КР1441ВИ1.
В настоящее время микросхема выпускается в пластиковом
DIP-корпусе. Помимо стандартных, выпускается еще
две разновидности
микросхем: 556 – это сдвоенная, 558 – счетверенная версия таймера.
Принцип действия таймера
Функциональная схема таймера показана на рис. 7.6. Таймер со-
DA
держит два компаратора
ны с помощью резисторов
ны, порог срабатывания верхнего компаратора равен 2/3
срабатывания нижнего компаратора равен 1/3
жит триггер
да
VT
, транзистор сброса VT2.
1
DD
, выходной усилитель-инвертор DD2, транзистор разря-
1
, DA2, пороги срабатывания которых зада-
1
R. Поскольку сопротивления резисторов рав-
U
, а порог
п
U
. Также таймер содер-
п
Рассмотрим подробнее назначение выводов микросхемы.
1. Общий, или Земля. Это вывод, который подключается к минусу
источника питания и к общему проводу схемы.
2. Запуск. Вход компаратора DA
пульса низкого уровня (менее 1/3
U
. При подаче на этот вход им-
2
) таймер запускается и на выходе
п
устанавливается напряжение высокого уровня на время, которое определяется уже внешней (обычно
RC) цепью – это так называемый режим
моностабильного мультивибратора. Входной импульс может быть как
прямоугольным, так и синусоидальным. Главное, чтобы его длительность была меньше, чем время заряда конденсатора
С. Если же входной
79
импульс по длительности все-таки превысит это время, то выход микросхемы будет оставаться в состоянии высокого уровня до тех пор, пока
на входе не установится опять высокий уровень.
+U
п
питание
8
+U
оп
VT2
4
вход
компаратора
R
DA1
6
сброс
5
DD1
управляющее
напряжение
R
DA2
R
T
Q
S
запуск
2
R
DD2
3
выход
разряд
7
VT1
1
общий
Рис. 7.6. Функциональная схема 555 таймера
3. Выход. Выходное напряжение меняется вместе с напряжением
питания и примерно равно
U
–1,7 В (высокий уровень на выходе).
п
При низком уровне выходное напряжение равно примерно 0,3 В (при
напряжении питания +5 В). Время переключения между состояниями низкий – высокий уровень около 100 нс.
4. Сброс. При подаче на этот вывод напряжения низкого уровня
(менее 1,0 В) происходит сброс выхода в состояние низкого уровня независимо от того, в каком режиме находится таймер на данный момент.
Входное напряжение не зависит от величины напряжения питания –
это
TTL-совместимый вход. При этом также открывается транзистор
разряда
VT
. Для предотвращения случайных сбросов этот вывод реко-
1
мендуется подключить к плюсу источника питания.
80
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]